DE3730829C2 - Overload protection for the excitation circuit of a synchronous machine - Google Patents

Overload protection for the excitation circuit of a synchronous machine

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Description

Die Erfindung betrifft einen Überlastschutz für den Erregerkreis einer Synchronmaschine unter Auswertung von Meßgrößen des Ständerkreises (Ständerstrom, Ständerspannung) der Maschine (DE 31 35 919 A1).The invention relates to overload protection for the excitation circuit a synchronous machine evaluating measured variables of the stator circuit (stator current, stator voltage) Machine (DE 31 35 919 A1).

Bei den aus der Praxis bekannten Überlastschutzeinrichtungen wird der Erregerstrom entweder über einen Shunt bzw. Gleich­ stromwandler als Gleichstrom erfaßt oder bei einer Drehstrom- Erregerkreis-Einspeisung über Stromwandler ermittelt. Der so erhaltene Meßwert wird einem thermischen Abbild des Erreger­ kreises zugrundegelegt, das bei Überschreitung der zulässigen Erwärmung ein Warn- oder Auslösesignal abgibt.In the overload protection devices known from practice the excitation current is either via a shunt or equal current transformers detected as direct current or in a three-phase Excitation circuit feed determined via current transformers. The way The measured value obtained is a thermal image of the exciter based on the circle that is exceeded when the permissible Warming gives a warning or trigger signal.

Die Erfassung des Gleichstromes setzt einen für die Messung durch Shunt bzw. Gleichstromwandler zugänglichen Gleichstrom- Erregerkreis voraus, was bei Maschinen mit rotierenden Dioden nicht zutrifft. Die Messung des Drehstromes setzt voraus, daß dieser exakt proportional dem Erreger-Gleichstrom ist, was nicht in allen Störungsfällen gewährleistet ist.The detection of the direct current sets one for the measurement DC current accessible through shunt or DC converter Excitation circuit ahead, what with machines with rotating diodes does not apply. Measuring the three-phase current requires that this is exactly proportional to the excitation direct current, which is not guaranteed in all malfunctions.

Aus der DE 31 35 919 A1 ist eine Kurzschlußdioden-Schutzan­ ordnung für einen bürstenlosen Wechselstromgenerator bekannt, der eine erregbare Erregerfeldwicklung besitzt. Die Anordnung umfaßt eine Schaltungseinheit zum Abfühlen des Spannungsdif­ ferentials am Erregerfeld und zum Vereinigen des Spannungs­ differentials mit einem Genetatorlaststrom. Damit wird ein Ausgangssignal erzeugt, das innerhalb eines vorbestimmbaren Wertebereichs über einem normalen Generatorlaststrombereich abfällt.From DE 31 35 919 A1 is a short-circuit diode protection known for a brushless alternator, who has an excitable field winding. The order comprises a circuit unit for sensing the voltage difference ferentials on the excitation field and to combine the voltage differentials with a generator load current. So that becomes a Output signal generated within a predeterminable Range of values over a normal generator load current range falls off.

Die DE-AS 12 38 092 betrifft eine Anordnung für einen Syn­ chrongenerator, bei der ausgehend von an den Klemmen des Ge­ nerators vorhandenen Meßgrößen ein Betriebszustand ermittelt wird. Bei Überschreiten eines Grenzwertes werden Gegenmaß­ nahmen im Spannungsregler des Synchrongenerators ergriffen. Es handeltz sich dabei um eine spezielle Regelanordnung, die für den konkreten Betriebsfall des Außertrittfallens (auch Untererregung genannt) ausgelegt ist.DE-AS 12 38 092 relates to an arrangement for a syn chrongenerator, starting from at the terminals of Ge nerators existing measured variables determined an operating state  becomes. If a limit value is exceeded, a countermeasure is taken took hold of the voltage regulator of the synchronous generator. It is a special control arrangement that for the specific operational case of falling out of step (also Called under-excitation).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ohne Messung von Größen des Erregerkreises auf einfachere Weise einen einwand­ freien Überlastschutz für alle Ausführungen des Erregerkreises von Synchronmaschinen zu schaffen, der nur Ständergrößen benutzt, die auch für die anderen Schutzeinrichtungen benötigt werden. The invention has for its object without measuring Sizes of the excitation circuit in a simpler way a flawless Free overload protection for all versions of the excitation circuit of synchronous machines to create the only stand sizes used, which is also required for the other protective devices will.  

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch die Merkmale des Anspruches 1.The task is solved by the Features of claim 1.

Die Erfindung beruht dabei auf dem bekannten Spannungsdiagramm einer Synchronmaschine:The invention is based on the known voltage diagram a synchronous machine:

Fig. 1 stellt das allgemeine Spannungs-Diagramm mit unterschied­ lichen Längsreaktanzen (Xd) und Querreaktanzen (Xq). Fig. 1 shows the general voltage diagram with different longitudinal reactances (X d ) and transverse reactances (X q ).

Daraus ist entnehmbar die BeziehungThe relationship can be inferred from this

und der Kenntnis, daß Ie ∼ E gesetzt werden kann (3)and the knowledge that I e ∼ E can be set (3)

Darin bedeuten
U = Ständerspannung
I = Ständerstrom
E = Polradspannung
Xd = synchrone Längsreaktanz
Xq = synchrone Querreaktanz
ϕ = Phasenwinkel
ϕN = Nennphasenwinkel
ϑ = Polradwinkel
Ie = Erregerstrom
Mean in it
U = stator voltage
I = stator current
E = magnet wheel voltage
X d = synchronous longitudinal reactance
X q = synchronous cross-reactance
ϕ = phase angle
ϕ N = nominal phase angle
ϑ = magnet wheel angle
I e = excitation current

Die Größen Xd und Xq sind bei jeder Maschine bekannt. Die Größen U und I sind einfache zu messende Werte. Der Polradwinkel ϑ kann leicht ermittelt werden durch eine Winkelmessung zwischen U und U + IXd gemäß Gleichung (2). Damit kann nach Gleichung (1) auch die Polradspannung und gemäß der Proportionalität nach Gleichung (3) der Erreger­ strom ermittelt werden. The sizes X d and X q are known for every machine. The sizes U and I are easy to measure values. The magnet wheel angle ϑ can easily be determined by measuring the angle between U and U + IX d according to equation (2). Thus, the magnet wheel voltage can be determined according to equation (1) and the excitation current according to the proportionality according to equation (3).

Für die hier vorliegende Aufgabe ist es in den meisten Fällen ausreichend, das vereinfachte Spannungsdiagramm nach Fig. 2 zugrundezulegen. Dieses ergibt sich aus Fig. 1, wenn Xd=Xq.For the task at hand here it is sufficient in most cases to use the simplified voltage diagram according to FIG. 2. This results from Fig. 1 when X d = X q .

Bei Synchronmaschinen mit Turboläufer ist diese Bedingung sehr gut erfüllt. Bei Synchronmaschinen mit Schenkelpolläufern ist diese Bedingung für den hier zu betrachtenden Anwendungsfall ebenfalls gut erfüllt, daThis condition is very important for synchronous machines with a turbo rotor well fulfilled. For synchronous machines with stub poles this condition for the application to be considered here also well fulfilled since

  • 1. zur Berücksichtigung des Sättigungseinflusses im über­ regten Arbeitsbereich der Synchronmaschinen für Xd die gesättigte Längsreaktanz Xdges eingesetzt werden muß und1. to take into account the influence of saturation in the over excited working range of the synchronous machines for X d the saturated longitudinal reactance X dges must be used and
  • 2. im Phasenwinkelbereich zwischen ϕN und ϕ=90° gesetzt werden darf: Xdges ≈ Xq.2. The following may be set in the phase angle range between ϕ N and ϕ = 90 °: X dges ≈ X q .

Damit vereinfacht sich die Beziehung (1) zuThis simplifies the relationship (1)

Diese Beziehung (4) kann durch eine Schaltung nach Fig. 3 leicht nachgebildet werden.This relationship (4) can easily be simulated by a circuit according to FIG. 3.

Über einen im Stromkreis des Synchrongenerators G angeordneten Stromwandler 1 wird über einen Zwischenwandler 2 der Ständer­ strom I gewonnen, aus dem in der Anordnung 3 über einen ent­ sprechend der Maschinenkonstante Xq einstellbaren Widerstand und einer 90°-Winkeldrehung der induktive Spannungsabfall I · Xq gebildet wird. Aus einem Spannungswandler 4 wird über den Zwischenwandler 5 die Ständerspannung U gewonnen und zu dem Spannungsabfall I · Xq vektoriell addiert. Diese geometrische Summe E = U + I · Xq wird über einen Zwischenwandler 6 einem thermischen Abbild 7 des Erregerkreises zugeführt. Durch dieses wird nach einer für ein thermisches Abbild üblichen Strom-Zeit-Funktion (z. B. gemäß DIN IEC 255/VDE 0435 Teil 3011, 1984) ein nachgeschaltetes Relais 8 betätigt, das mittels seines Kontaktes eine Gefahrmeldung oder Generatorabschaltung vor­ nimmt, wenn die zulässige Grenzerwärmung überschritten wird. Via a current transformer 1 arranged in the circuit of the synchronous generator G, the stator current I is obtained via an intermediate transformer 2 , from which in the arrangement 3 via an accordingly the machine constant X q adjustable resistance and a 90 ° angle of rotation of the inductive voltage drop I · X q is formed. The stator voltage U is obtained from a voltage converter 4 via the intermediate converter 5 and vectorially added to the voltage drop I · X q . This geometric sum E = U + I · X q is fed via an intermediate converter 6 to a thermal image 7 of the excitation circuit. This activates a downstream relay 8 according to a current-time function that is usual for a thermal image (e.g. according to DIN IEC 255 / VDE 0435 part 3011, 1984), which uses its contact to initiate a hazard warning or generator shutdown if the permissible limit heating is exceeded.

Um auch bei unsymmetrischen Betriebszuständen eine physikalisch richtige Messung zu erhalten, können durch bekannte Drehfeld­ scheider nach den Rechenregeln für symmetrische Komponenten die Mitkomponenten von Strom und Spannung des Drehstromsystems gewonnen und dann in der oben beschriebenen Weise weiterver­ arbeitet werden.In order to ensure a physical, even with asymmetrical operating states Correct measurement can be obtained by known rotating field according to the calculation rules for symmetrical components With components of current and voltage of the three-phase system won and then continue in the manner described above be working.

In Fig. 4 ist das aus Fig. 2 abgeleitete Maschinendiagramm der Synchronmaschine gezeigt, aus dem deren zulässiger Betriebs­ bereich hervorgeht. Wird die Grenzkurve a): E< ∼ Ie< über­ schritten, so liegt eine Übererregung der Maschine vor.In FIG. 4 is shown in FIG. 2 derived machine diagram of the synchronous machine shown, from which the maximum permissible operating area is apparent. If the limit curve a): E <∼ I e <is exceeded, the machine is overexcited.

Die anderen drei Grenzkurven nach Fig. 3 sind:The other three limit curves according to FIG. 3 are:

  • b) I<; diese Grenzkurve wird durch einen Ständerüberlast­ schutz erfaßt;b) I <; this limit curve is caused by a stator overload protection captured;
  • c) (-I · U · cosϕ)<; diese Grenzkurve wird durch einen Rückleistungsschutz erfaßt;c) (-I · U · cosϕ) <; this limit curve is marked by a Reverse power protection recorded;
  • d) ∡(E, U)<; diese Grenzkurve wird durch einen Untererregerschutz erfaßt.d) ∡ (E, U) <; this limit curve is protected by under excitation detected.

Durch eine Kombination der Messungen von a) bis d) ist es möglich, nur mit den Ständergrößen I und U einen Schutz für die Ausmessung des kompletten Maschinendiagramms zu erhalten.By combining the measurements from a) to d) it is possible, only with stand sizes I and U protection for to get the measurement of the complete machine diagram.

Claims (6)

1. Überlastschutz für den Erregerkreis einer Synchronmaschine, bei der der Erregerstrom Ie als proportionale Größe der Polrad­ spannung E aus den gemessenen Größen Ständerspannung U und Ständerstrom I sowie den Maschinen-Kenngrößen der Längsreaktanz Xd und der Querreaktanz Xq ent­ sprechend der Gleichung ermittelt wird,
wobei der Polradwinkel ϑ aus einer Winkelmessung zwischen U und U + IXq gewonnen wird und die so gewonnene Größe E ∼ Ie bei Überschreiten eines zulässigen Höchstwertes den Überlast­ schutz aktiviert.
1. Overload protection for the excitation circuit of a synchronous machine, in which the excitation current I e as a proportional variable of the magnet wheel voltage E from the measured values stator voltage U and stator current I as well as the machine parameters of the longitudinal reactance X d and the transverse reactance X q according to the equation is determined
where the magnet wheel angle wird is obtained from an angle measurement between U and U + IX q and the quantity E ∼ I e thus activated activates the overload protection when a permissible maximum value is exceeded.
2. Überlastschutz nach Anspruch 1, bei dem die aktuelle erfaßte Polradspannung E ∼ Ie einem thermischen Abbild der Erregerwicklung zur Erfassung der Läufer­ temperatur zugeführt wird.2. Overload protection according to claim 1, in which the currently detected magnet wheel voltage E ∼ I e is a thermal image of the excitation winding for detecting the rotor temperature. 3. Überlastschutz nach Anspruch 1 und 2, bei dem dem thermischen Abbild eine die Umgebungstemperatur berück­ sichtigende elektrische Zusatzgröße zugeführt wird.3. Overload protection according to claim 1 and 2, in which the thermal image takes the ambient temperature into account visible electrical additional quantity is supplied. 4. Überlastschutz nach Anspruch 1 bis 3, bei dem unter Berücksichtigung der Sättigung im übererregten Bereich der Synchronmaschine mit der gesättigten Längsreaktanz Xd gesättigt ≈ Xq die Gleichung E=U + ISq für die Ermittlung von E ∼ Ie gilt. 4. Overload protection according to claim 1 to 3, in which, taking into account the saturation in the overexcited area of the synchronous machine with the saturated longitudinal reactance X d saturated ≈ X q, the equation E = U + IS q applies to the determination of E ∼ I e . 5. Überlastschutz nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, bei dem die einzelnen Grenzkurven des Arbeitsdiagramms der Synchronmaschine für den Strom I, den Polradwinkel ϑ, die Leistung -I · U cosϕ und den Erregerstrom Ie ∼ E in einer Schutzeinrichtung gemessen bzw. ermittelt und damit das komplette Maschinendiagramm überwacht wird.5. Overload protection according to at least one of the preceding claims 1 to 4, in which the individual limit curves of the working diagram of the synchronous machine for the current I, the magnet wheel angle ϑ, the power -I · U cosϕ and the excitation current I e ∼ E measured or in a protective device . is determined and thus the complete machine diagram is monitored. 6. Überlastschutz nach Anspruch 1 bis 5, bei dem als Strom- und Spannungswerte die entsprechenden Mitkompo­ nenten des Drehstromsystems benutzt werden.6. Overload protection according to claim 1 to 5, in which the corresponding Mitkompo as current and voltage values components of the three-phase system are used.
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